CN108388824A - 一种压铸立体二维码识别装置及方法 - Google Patents

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李力
王华龙
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Abstract

本发明涉及一种压铸立体二维码识别装置及方法，装置包括图像采集机构、光源控制器、工业计算机；图像采集机构包括图像采集架座、光源、光源支撑及调节模块、CCD工业相机、相机调节支撑模块、侧面挡光板、承载底板及遮光顶板；侧面挡光板安装在图像采集架座前后左右的四个侧面处；遮光顶板和承载底板分别置于图像采集架座的顶端和底端；CCD工业相机通过相机调节支撑模块与图像采集架座固定；光源支撑及调节模块安装于图像采集架座两两支撑柱之间；光源通过该光源支撑及调节模块与图像采集架座固定；光源控制器与光源连接；工业计算机与CCD工业相机连接。本发明具有检测识别率高、检测识别时间短、成本低的优点。

Description

一种压铸立体二维码识别装置及方法
技术领域
本发明涉及二维码识别的技术领域，尤其涉及到一种压铸立体二维码识别装置及方法。
背景技术
在工业生产中，许多产品上都记录着大量与产品相关的信息，如产品的质量精度、批次号、生产地、生产商等，这些信息有的用压铸或印刷喷码直接刻印到产品表面上去，不同的产品、不同的工艺流程及制造会造成刻印的二维码信息不同，因此采取的识别方式也不同，如二维码扫描、条码扫描等。
目前，绝大部分二维码都是平面印刷二维码，都是在2D平面上的二维码，都是用黑白相间的点记录着二维码的信息，它的二维码信息是用凸凹点来表示的。而对于压铸在产品上的立体二维码的识别装置和方法较少，存在的也是成本较高或是识别率较低。因此，开发出一种准确快速的压铸立体二维码检测识别装置具有非常重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种检测识别率高、检测识别时间短、成本低的压铸立体二维码识别装置。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：
包括图像采集机构、光源控制器以及工业计算机；图像采集机构包括图像采集架座、光源、光源支撑及调节模块、CCD工业相机、相机调节支撑模块、侧面挡光板、承载底板及遮光顶板；
其中，侧面挡光板安装在图像采集架座前后左右的四个侧面处；遮光顶板和承载底板分别置于图像采集架座的顶端和底端，二者和侧面挡光板配合，为图像采集机构营造暗光甚至无光的条件；CCD工业相机通过相机调节支撑模块与图像采集架座固定；光源支撑及调节模块安装于图像采集架座两两支撑柱之间；而光源通过该光源支撑及调节模块与图像采集架座固定，分布于图像采集架座前后左右四个方位；
光源控制器与光源连接，用于控制光源的开关及亮度；
工业计算机与CCD工业相机连接，用于对CCD工业相机发送过来的四个图像进行三维重建。
进一步地，上述光源为LED条形白光光源。
进一步地，上述光源支撑及调节模块包括光源支撑杆、光源高度调节组件、光源角度调节组件；
其中，光源高度调节组件包括带有调节孔的光源高度调节支撑直角架、光源高度调节螺栓；光源高度调节支撑直角架位于光源支撑杆底部的两端，光源高度调节螺栓穿过该光源高度调节支撑直角架对应的调节孔与该光源高度调节支撑直角架配合调节光源支撑杆的高度，从而达到调节光源高度的效果；
光源角度调节组件包括带有调节孔的光源角度调节支撑直角架、光源角度调节螺丝；光源角度调节支撑直角架置于光源两端，光源角度调节螺丝穿过各自光源角度调节支撑直角架对应的调节孔与光源联接，在与各自光源角度调节支撑直角架的配合下调节光源的角度。
进一步地，相机调节支撑模块包括相机支撑杆、相机高度调节组件、相机固定组件；相机高度调节组件安装于图像采集架座两条支撑柱之间，而相机支撑杆横跨于相对的两个相机高度调节组件之间，由该相对的两个相机高度调节组件提供支撑力；CCD工业相机通过相机固定组件固定在所述的相机支撑杆上；
相机高度调节组件包括相机高度调节支撑杆、带有调节孔的相机高度调节支撑直角架、相机高度调节螺栓；相机高度调节支撑直角架位于相机高度调节支撑杆底部的两端，相机高度调节螺栓穿过该相机高度调节支撑直角架对应的调节孔与该相机高度调节支撑直角架配合调节相机高度调节支撑杆的高度，从而达到调节CCD工业相机高度的效果。
进一步地，承载底板为能产生漫反射的环氧板，能大大提高成像的质量。
为实现上述目的，本发明另外提供一种压铸立体二维码识别方法，包括以下步骤：
S1、将带有立体二维码的被测物作为参照物，通过光源支撑及调节模块中的光源高度调节组件调节光源所处的高度，通过相机调节支撑模块中的相机高度调节组件调节CCD工业相机所处的高度；
S2、通过光源支撑及调节模块中的光源角度调节组件调节光源的角度，且光源的角度均调整在30度至60度之间，各光源之间的角度偏差不超过10度；
S3、光源控制器控制光源的开关及亮度，CCD工业相机分别与每个光源配合，每次只使一个光源对被测物进行打光，采集分别得到四个方位打光下的被测物中的立体二维码的图像；
S4、CCD工业相机采集完成后，将四个图像传输给工业计算机，由工业计算机对图像进行三维重建，进而对被测物中的立体二维码进行定位识别。
进一步地，步骤S4的具体步骤如下：
S41、由于光照的方向已知，所以省略光源标定；从图像中计算被测物体的法向量即梯度向量场；
获得法向量图的具体原理为：
在拉姆波特漫反射模型中，光照方向、被测物表面法向量和图像亮度值之间存在如下关系：
I＝KdLnT；
式中，I表示图像像素的亮度值，Kd表示发射率，L表示单位化的光源方向，nT表示单位化的被测物表面的法向量；
令g＝Kdn，使用最小二乘法，得到目标方程为：
Ii表示第i帧的采集到的图像的灰度值，Li表示第i帧的光源光照方向，gT表示方向为法向方向、模长为反射率值的向量。假设输入图像的总帧数为s帧，图像宽和高分别为M和N，像素个数为MxN＝P，那么，Ii为IxP的向量，Li是1x3的向量，gT为3xP。为了便于处理阴影和噪声，将等式右边乘以IiIi T，得出：
根据g＝Kdn，求解出n的值，对n进行单位化后即为最终求得的法向量。
S42、根据被测物的梯度向量场计算被测物的表面曲率的矢量场，以便对二维码凸起部分进行快速分割；
S43、对二维码区域进行形态学处理；
S44、对整个二维码区域进行二值化，并生成二值化图像；
S45、创建QR二维码模型并设置模型参数；
S46、定位识别二维码，并将识别出二维码的信息显示出来。
进一步地，步骤S43对二维码区域进行形态学处理包括分割二维码凸起部分、填充空洞、开运算去除二维码干扰部分的杂点。
与现有技术相比，本方案原理和优点如下：
1、光源采用LED条形白光光源，分别布置于被测物前后左右四个方位；同时，将带有立体二维码的被测物作为参照物，通过光源支撑及调节模块中的光源高度调节组件调节光源所处的高度，通过相机调节支撑模块中的相机高度调节组件调节CCD工业相机所处的高度；通过光源支撑及调节模块中的光源角度调节组件调节光源的角度，且光源的角度均调整在30度至60度之间，各光源之间的角度偏差不超过10度；各要素配合下，采用正面明场低角度的照明方式，在四个方向产生均匀分布的高亮部分和阴影部分，能更好地分割出二维码凸起的部分，为得到更好的三维重建效果打下基础。
2、依据采集到的四个图像进行图像三维重建，过程包括二维码凸起部分分割、形态学处理、区域二值化、创建二维码模型并设置参数以及定位识别二维码，使能对各种不同颜色被测物上的立体二维码进行检测识别，且检测识别率高、识别时间短。
3、识别装置只由图像采集机构、光源控制器以及工业计算机组成，大大降低压铸立体二维码的识别成本。
附图说明
图1为本发明中一种压铸立体二维码识别装置的结构框图；
图2为本发明中一种压铸立体二维码识别装置中图像采集机构的结构示意图(省略了遮光顶板)之一；
图3为本发明中一种压铸立体二维码识别装置中图像采集机构的结构示意图之二；
图4为本发明中一种压铸立体二维码识别装置中图像采集机构的结构示意图(省略了承载底板)之三；
图5为本发明一种压铸立体二维码识别方法的流程图；
图6为实施例中采集到的被测物粉红色鞋垫a在前方光源照明下的图；
图7为实施例中采集到的被测物粉红色鞋垫a在左方光源照明下的图；
图8为实施例中采集到的被测物粉红色鞋垫a在右方光源照明下的图；
图9为实施例中采集到的被测物粉红色鞋垫a在后方光源照明下的图；
图10为实施例中截取的立体二维码三维表面重建示意图；
图11为实施例中二维码定位识别结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
参见附图1-4所示，本实施例所述的一种压铸立体二维码识别装置，包括图像采集机构1、光源控制器2以及工业计算机3；图像采集机构1包括图像采集架座11、光源12、光源支撑及调节模块13、CCD工业相机14、相机调节支撑模块15、侧面挡光板16、承载底板17及遮光顶板18；其中，侧面挡光板16安装在图像采集架座11前后左右的四个侧面处；遮光顶板18和承载底板17分别置于图像采集架座11的顶端和底端，二者和侧面挡光板16配合，为图像采集机构1营造暗光甚至无光的条件；CCD工业相机14通过相机调节支撑模块15与图像采集架座11固定；光源支撑及调节模块13安装于图像采集架座11两两支撑柱之间；而光源12通过该光源支撑及调节模块13与图像采集架座11固定，分布于图像采集架座11前后左右四个方位；光源控制器2与光源12连接，工业计算机3与CCD工业相机14连接。
具体地，光源12为四个LED条形白光光源，该四个LED条形白光光源分别位于被测物粉红色鞋垫a前后左右四个方位，从不同方位为粉红色鞋垫a提供亮度。
光源支撑及调节模块13包括光源支撑杆13-1、光源高度调节组件13-2、光源角度调节组件13-3；光源高度调节组件13-2包括带有调节孔的光源高度调节支撑直角架13-2-1、光源高度调节螺栓13-2-2；光源高度调节支撑直角架13-2-1位于光源支撑杆13-1底部的两端，光源高度调节螺栓13-2-2穿过该光源高度调节支撑直角架13-2-1对应的调节孔与该光源高度调节支撑直角架13-2-1配合调节光源支撑杆13-1的高度，从而达到调节光源12高度的效果；光源角度调节组件13-3包括带有调节孔的光源角度调节支撑直角架13-3-1、光源角度调节螺丝13-3-2；光源角度调节支撑直角架13-3-1置于光源12两端，光源角度调节螺丝13-3-2穿过各自光源角度调节支撑直角架13-3-1对应的调节孔与光源12联接，在与各自光源角度调节支撑直角架13-3-1的配合下调节光源12的角度。
相机调节支撑模块15包括相机支撑杆15-1、相机高度调节组件15-2、相机固定组件15-3；相机高度调节组件15-2安装于图像采集架座11两条支撑柱之间，而相机支撑杆15-1横跨于相对的两个相机高度调节组件15-2之间，由该相对的两个相机高度调节组件15-2提供支撑力；CCD工业相机14通过相机固定组件15-3固定在所述的相机支撑杆15-1上；相机高度调节组件15-2包括相机高度调节支撑杆15-2-1、带有调节孔的相机高度调节支撑直角架15-2-2、相机高度调节螺栓15-2-3；相机高度调节支撑直角架15-2-2位于相机高度调节支撑杆15-2-1底部的两端，相机高度调节螺栓15-2-3穿过该相机高度调节支撑直角架15-2-2对应的调节孔与该相机高度调节支撑直角架15-2-2配合调节相机高度调节支撑杆15-2-1的高度，从而达到调节CCD工业相机14高度的效果。
承载底板17采用能产生漫反射的环氧板。
如图5所示，具体工作步骤如下：
S1、将带有立体二维码的粉红色鞋垫a作为参照物，调节光源12和CCD工业相机14的高度；
进行光源12高度调节时，松开光源高度调节螺栓13-2-2，提升或者下降LED条形白光光源的高度，当LED条形白光光源达到所需要的高度后再拧紧光源高度调节螺栓13-2-2；另外，进行CCD工业相机14高度调节时，松开相机高度调节螺栓15-2-3，提升或者下降CCD工业相机14的高度，当CCD工业相机14达到所需要的高度后再拧紧相机高度调节螺栓15-2-3；
S2、通过光源支撑及调节模块13中的光源角度调节组件13-3调节光源的角度；
调节时，松开光源角度调节螺丝13-3-2，当LED条形白光光源的角度调整完成后，再拧紧光源角度调节螺丝13-3-2；调整后的LED条形白光光源的角度均在30度至60度之间，各LED条形白光光源之间的角度偏差不超过10度；
S3、光源控制器2控制LED条形白光光源的开关及亮度，CCD工业相机14分别与每个LED条形白光光源配合，每次只使一个LED条形白光光源对粉红色鞋垫a进行打光，采集分别得到四个方位打光下的粉红色鞋垫a中的立体二维码的图像；
S4、CCD工业相机14采集完成后，将四个图像传输给工业计算机3，由工业计算机3对图像进行三维重建，重建后如图7所示，进而对粉红色鞋垫a中的立体二维码进行定位识别，如图8所示；具体步骤如下：
S41、从图像中计算粉红色鞋垫a的法向量即梯度向量场：
在拉姆波特漫反射模型中，光照方向、粉红色鞋垫a表面法向量和图像亮度值之间存在如下关系：
I＝KdLnT；
式中，I表示图像像素的亮度值，Kd表示发射率，L表示单位化的光源方向，nT表示单位化的粉红色鞋垫a表面的法向量；
令g＝Kdn，使用最小二乘法，得到目标方程为：
Ii表示第i帧的采集到的图像的灰度值，Li表示第1帧的光源光照方向，gT表示方向为法向方向、模长为反射率值的向量。假设输入图像的总帧数为s帧，图像宽和高分别为M和N，像素个数为MxN＝P，那么，Ii为IxP的向量，Li是1x3的向量，gT为3xP。为了便于处理阴影和噪声，将等式右边乘以IiIi T，得出：
根据g＝Kdn，求解出n的值，对n进行单位化后即为最终求得的法向量。
S42、根据粉红色鞋垫a的梯度向量场计算粉红色鞋垫a的表面曲率的矢量场，以便对二维码凸起部分进行快速分割；
S43、对二维码区域进行形态学处理；
S44、对整个二维码区域进行二值化，并生成二值化图像；
S45、创建QR二维码模型并设置模型参数；
S46、定位识别二维码，并将识别出二维码的信息显示出来。
过程效果如图6-图11所示。
本实施例如下优点：
1、光源12采用LED条形白光光源，分别布置于粉红色鞋垫a前后左右四个方位；同时，将带有立体二维码的粉红色鞋垫a作为参照物，通过光源支撑及调节模块中的光源高度调节组件调节光源所处的高度，通过相机调节支撑模块中的相机高度调节组件调节CCD工业相机所处的高度；通过光源支撑及调节模块中的光源角度调节组件调节光源的角度，且光源的角度均调整在30度至60度之间，各光源之间的角度偏差不超过10度；各要素配合下，采用正面明场低角度的照明方式，在四个方向产生均匀分布的高亮部分和阴影部分，能更好地分割出二维码凸起的部分，为得到更好的三维重建效果打下基础。
2、依据采集到的四个图像进行图像三维重建，过程包括二维码凸起部分分割、形态学处理、区域二值化、创建二维码模型并设置参数以及定位识别二维码，使能对各种不同颜色被测物上的立体二维码进行检测识别，且检测识别率高、识别时间短。
3、识别装置只由图像采集机构、光源控制器以及工业计算机组成，大大降低压铸立体二维码的识别成本。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种压铸立体二维码识别装置，其特征在于：包括图像采集机构(1)、光源控制器(2)以及工业计算机(3)；
所述图像采集机构(1)包括图像采集架座(11)、光源(12)、光源支撑及调节模块(13)、CCD工业相机(14)、相机调节支撑模块(15)、侧面挡光板(16)、承载底板(17)及遮光顶板(18)；
其中，所述侧面挡光板(16)安装在图像采集架座(11)前后左右的四个侧面处；遮光顶板(18)和承载底板(17)分别置于图像采集架座(11)的顶端和底端，二者和侧面挡光板(16)配合，为图像采集机构(1)营造暗光甚至无光的条件；所述CCD工业相机(14)通过相机调节支撑模块(15)与图像采集架座(11)固定；光源支撑及调节模块(13)安装于图像采集架座(11)两两支撑柱之间；而光源(12)通过该光源支撑及调节模块(13)与图像采集架座(11)固定，分布于图像采集架座(11)前后左右四个方位；
所述光源控制器(2)与光源(12)连接，用于控制光源(12)的开关及亮度；
所述工业计算机(3)与CCD工业相机(14)连接，用于对CCD工业相机(14)发送过来的四个图像进行三维重建。
2.根据权利要求1所述的一种压铸立体二维码识别装置，其特征在于：所述光源(12)为LED条形白光光源。
3.根据权利要求1所述的一种压铸立体二维码识别装置，其特征在于：所述光源支撑及调节模块(13)包括光源支撑杆(13-1)、光源高度调节组件(13-2)、光源角度调节组件(13-3)；
其中，所述光源高度调节组件(13-2)包括带有调节孔的光源高度调节支撑直角架(13-2-1)、光源高度调节螺栓(13-2-2)；光源高度调节支撑直角架(13-2-1)位于光源支撑杆(13-1)底部的两端，光源高度调节螺栓(13-2-2)穿过该光源高度调节支撑直角架(13-2-1)对应的调节孔与该光源高度调节支撑直角架(13-2-1)配合调节光源支撑杆(13-1)的高度，从而达到调节光源(12)高度的效果；
所述光源角度调节组件(13-3)包括带有调节孔的光源角度调节支撑直角架(13-3-1)、光源角度调节螺丝(13-3-2)；光源角度调节支撑直角架(13-3-1)置于光源(12)两端，光源角度调节螺丝(13-3-2)穿过各自光源角度调节支撑直角架(13-3-1)对应的调节孔与光源(12)联接，在与各自光源角度调节支撑直角架(13-3-1)的配合下调节光源(12)的角度。
4.根据权利要求1所述的一种压铸立体二维码识别装置，其特征在于：所述相机调节支撑模块(15)包括相机支撑杆(15-1)、相机高度调节组件(15-2)、相机固定组件(15-3)；相机高度调节组件(15-2)安装于图像采集架座(11)两条支撑柱之间，而相机支撑杆(15-1)横跨于相对的两个相机高度调节组件(15-2)之间，由该相对的两个相机高度调节组件(15-2)提供支撑力；CCD工业相机(14)通过相机固定组件(15-3)固定在所述的相机支撑杆(15-1)上；
所述相机高度调节组件(15-2)包括相机高度调节支撑杆(15-2-1)、带有调节孔的相机高度调节支撑直角架(15-2-2)、相机高度调节螺栓
(15-2-3)；相机高度调节支撑直角架(15-2-2)位于相机高度调节支撑杆(15-2-1)底部的两端，相机高度调节螺栓(15-2-3)穿过该相机高度调节支撑直角架(15-2-2)对应的调节孔与该相机高度调节支撑直角架(15-2-2)配合调节相机高度调节支撑杆(15-2-1)的高度，从而达到调节CCD工业相机(14)高度的效果。
5.根据权利要求1所述的一种压铸立体二维码识别装置，其特征在于：所述承载底板(17)为能产生漫反射的环氧板。
6.一种用于权利要求1所述压铸立体二维码识别装置的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将带有立体二维码的被测物作为参照物，通过光源支撑及调节模块中的光源高度调节组件调节光源所处的高度，通过相机调节支撑模块中的相机高度调节组件调节CCD工业相机所处的高度；
S2、通过光源支撑及调节模块中的光源角度调节组件调节光源的角度，且光源的角度均调整在30度至60度之间，各光源之间的角度偏差不超过10度；
S3、光源控制器控制光源的开关及亮度，CCD工业相机分别与每个光源配合，每次只使一个光源对被测物进行打光，采集分别得到四个方位打光下的被测物中的立体二维码的图像；
S4、CCD工业相机采集完成后，将四个图像传输给工业计算机，由工业计算机对图像进行三维重建，进而对被测物中的立体二维码进行定位识别。
7.根据权利要求6所述的一种压铸立体二维码识别方法，其特征在于：所述步骤S4的具体步骤如下：
S41、从图像中计算被测物体的法向量即梯度向量场；
S42、根据被测物的梯度向量场计算被测物的表面曲率的矢量场，以便对二维码凸起部分进行快速分割；
S43、对二维码区域进行形态学处理；
S44、对整个二维码区域进行二值化，并生成二值化图像；
S45、创建QR二维码模型并设置模型参数；
S46、定位识别二维码，并将识别出二维码的信息显示出来。
8.根据权利要求7所述的一种压铸立体二维码识别方法，其特征在于：所述步骤S43对二维码区域进行形态学处理包括分割二维码凸起部分、填充空洞、开运算去除二维码干扰部分的杂点。
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CN109916308A (zh) * 2019-01-14 2019-06-21 佛山市南海区广工大数控装备协同创新研究院 一种鞋底的信息采集方法及其系统

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